甲烷冰与全球暖化

大量的甲烷 (CH 4 ) 在地球表面冻结成冰状称为甲烷冰，即甲烷水合物 (methane hydrate) 。该水合物几乎可与任何气体化合，由水分子形成笼形 (cage) 结构，将气体团团围住， ( “气水包合物 ( clathrate ) ”一词通常是描述含有气体的固体，被笼形结构所包围，若该结构主要由水分子构成，即称之为水合物 ( hydrate )) 火星上有二氧化碳，而地球充满甲烷水合物，而多数都沉积在海床底下，但有些就成为永冻层。

甲烷冰看起来似乎是很不稳定的物质，如果天气过于暖化，就会溶解并浮在水面上。甲烷是一种强烈的温室气体，它可以降解成二氧化碳，变成另一种温室气体，累积在大气中，就像燃烧石化燃料产生二氧化碳一样。而且其囤积量不容小覤，可能远比传统燃料生成量为多，可以想见，气候变化会影响此类二氧化碳的囤积量，但我们对灾难电影中甲烷冰的潜在危险性，了解有多少呢？


海洋水合物 -- 大部份的甲烷水合物沉淀在海里，因此被称为地层囤积。有机碳是来自上百万年前的浮游生物残骸，在数百公尺深的海床底下，细菌从死去的浮游生物制造出甲烷。假如甲烷的产生速度够快，有一些即被冻结成甲烷冰。有数十亿吨的甲烷，便以这种形式囤积在海里﹝资料来源： Buffett and Archer, 2004; Milkov, 2004 ﹞为对照起见，碳生成量最大的传统燃媒，其标准产碳量仅约 5000G 吨﹝资料来源 ： Rogner, 1997 ﹞

有时甲烷在地底会移动并聚集在某些地方，形成所谓的结构性水合物囤积。譬如墨西哥湾，基本上是个有漏洞的油田﹝资料来源 ： MacDonald et al., 2005 ﹞。 气体的游移与聚集，意味着浓缩度会提高，甚至会高到形成块状矿床的程度，变成纯块状的水合物。第二个后果是该些水合物，可以在离海底较近的地方、甚至在海床底下被找到。

气候过于暖化会使水合物溶解。在海平面 500 公尺以下 ( 在北极为 200 公尺 ) 的海水算够冷，在海床底下，温度会随深度增加而递增，沿地温梯度增加。若在某一深度的地底，因为太过暖化，而水合物未能埋在比原来更深的地底，就会溶解。在一个稳定的水合物区域下方，通常有一层气泡层。气泡所反射声波震动讯号，可以在全球的地震勘测清楚取得﹝资料来源 ： Buffett, 2000 ﹞气泡层的丘陵与山谷，和海床的丘陵与山谷几乎平行，所以这一层被称为 海底仿拟反射 层 ( BSR ) 。



现在让我们为 沉积柱 上方的水加温。最后得到的地热新温度曲线图，其斜率几乎与之前的一致。水合物稳定区将因 沉积层 温度的升高而变得更薄。

值得密切注意的是，它是从底部变薄，而不是由顶端表面变薄。水合物的原稳定区基地部分，出现自发性的溶解。

假如稳定区仍然存在，则其在沉积柱内的范围，也要比在最新释放出的甲烷气泡中为浅，才能形成冷阱， 以防止甲烷气体散失。然而在地震研究上常发现 ” 无反射区 ( wipeout zones )” ，这是海底仿拟反射的死角，且在海底仿拟反射之外的沉积层，其所有层状结构都呈平滑状。该些区域被认为是气体已突破沉积结构，散发到海水里﹝资料来源： Wood et al., 2002 ﹞有一理论主张流体往上移动时会增温，导致甲烷在正常稳定区无法结冰。地球海洋内的沉积表面已经有破洞，称为坑洞﹝资料来源： Hill et al., 2004 ﹞，说明了这些爆出的气体为什么看起来像来自表面。


另外还有发生崩移的可能性，当水合物溶解产生气泡时，体积会增大。这种说法是认为气泡能使结晶彼此脱落，导致沉积柱 ( 层 ) 不稳定。众所皆知最大的海底崩移为 Storegga( 挪威语：巨大的边缘 ) ，就在挪威附近沿海﹝ 资料来源： Bryn et al., 2005; Mienert et al., 2005 ﹞这个 崩移效应挖凿出约 250 公尺 高、超过数百公里宽的沉积层，几乎跨越挪威到格陵兰岛之间的一半距离。挪威边境大概每 10 万年， 会发生与冰河周期同步的类似地层滑动。﹝ 资料来源 ： Solheim et al., 2005 ﹞

最近一次是出现在稳定区因水温增高而变薄的 2-3 千年之后﹝ 资料来源 ： Mienert et al., 2005 ﹞，即约在 8150 年前。地层滑动由水底数百公尺深的地方开始，刚好在陆坡边缘， Mienert 由此计算出水合物稳定带 (HSZ) 的最大变化。 Storegga 崩移区包含的甲烷气水包合物囤积量，根据地震 BSR 分析的结果，与 200-300 公尺 HSZ 的基地所在相符合，并且坑洞也指出气体自沉积处爆出的现象。

但是，也有其他对 Storegga 抱持 振振有词 的假设，认为它跟水合物一点关系也没有。该冰河沉积棚系 芬诺斯堪迪亚 ( Fennoscandian) 冰床的迅速囤积结果，﹝ 资料来源： Bryn et al., 2005 ﹞ 快速沉积活动对装载于沉积柱内的孔隙水， 比因为沉积增加而排除的 孔隙水 来得快，有 些观点认为，沉积柱的浮动系仰赖自身的孔隙水。这种机制可以充分解释，为什么挪威边境的陆块，世界各地也一样，会因气候的变化，同步导致崩移的现象。

Storegga 崩移曾为现在的英国带来海啸，但未有任何迹象显示与气候有关。那时甲烷流失并未到达灾变量，沉积层移动约 2500 立方公里的体积，假设由崩移量中，平均有 1% 的水合物藉由孔隙水释放出来，即有 0.8G ton 的含碳甲烷获得释放，即便所有的水合物都释放到大气中，对气候的冲击将比火山爆发略小一点 ( 在此以辐射平衡计算甲烷的影响 ) 。

  实际上，事实已不言可喻， Storegga 崩移现象，在 8.2 千年的气候异常如影随形，但并未有任何迹象显示它们之间有所关联。 8.2 千年的气候异常是长达一世纪酷冷时期，大致原因是淡水从 Aggasiz 冰湖释放到北大西洋，同时甲烷浓度下降 75ppbv ，并非上升。

甲烷可以三种可能的形式脱离沉积层，即溶解、气泡与水合物。甲烷溶化后在好氧深层海水里，化学性质不稳定，但可以维持几十年的光景 ( 比高流体环境短一些 ) ﹝ 资料来源： Valentine et al., 2001 ﹞，所以如果甲烷在海洋中被释放处浅一些，就有很好的机会可以逃脱到大气中。气泡甲烷则很典型地，在溶解之前，只能上升几百公尺。水合物则在水中载浮，就像一般的浮冰一样，其将甲烷带到大气的效率，比气泡为佳﹝资料来源： Brewer et al., 2002 ﹞。

海洋中大部分水合物的溶解过程相当漫长。需耗费数十年到几世纪，才能暖化海平面下 1000 公尺 深的海水，且需要超过好几百年使热气扩散到沉积层里，也就是稳定区基地所在。北冰洋也许就是一个特例，由于水域较冷，导致稳定区较浅，而且位于高纬度，也使暖化比预期中更为强烈。

永冻土 -- 最近各位也许已在论文中读过很多有关永冻土的资讯。永冻土被定义为终年结冰的土 ( 事实上，技术定义上是过去 2 年呈结冰状态的土 ) ，有时靠近沉积层表面的区域会在夏天融化。在永冻土的文献中，该区域称为活跃区，而且据观测显示，它会随着时间增加而扩大。﹝资料来源 ： Sazonova et al., 2004 ﹞。地表土坏的融化，是高纬度北极地带，之所以被预期会成为陆地对气候的改变反应最剧烈区域的理由之一﹝ 资料来源： Bala et al., 2005 ﹞
 
另外一个原因是，高纬度气温的改变，比起全球变动平 均值更为剧烈，特别是在高北纬度。曾有一则有关北极陆地永冻土融化的趣闻，例如在费尔班克斯市 (Fairbanks) 附近倾斜的建筑和“醉林”﹝资料来源： Pearce, 2005; Stockstad, 2004 ﹞，另外还有 更多阿拉斯加的油管是固定在永冻土上。

水合物有时是与永冻土的积存有关，但并非接近地表的永冻土，因水合物需要高压环境。另一个决定因素是水合物在土壤中是否具有渗透性。有时冻结和流动的地下水，会在土中形成一个密封的冰层，因此造成下方孔隙间的压力升高。有报告指出，水合物在一处永冻土的核心里﹝资料来源： Dallimore and Collett, 1995 ﹞，系位于密封冰层的下方。亦有报告指出，湖泊突然被抽干，会对地表层密封冰层，造成很明显的破坏。地表层密封冰层的始祖，是在西伯利亚，一个非常大规模的复合冰层。﹝资料来源： Hubberten and Romanovskii, 2001 ﹞

侵蚀复合冰层最重要的方式是由侧蚀旁蚀，经由热喀斯特 (thermokarst) 侵蚀过程溶解永冻土﹝ 资料来源： Gavrilov et al., 2003 ﹞。冰层暴露于海洋暖化的水中。当冰块融化，陆地崩塌，曝露更多的冰。西伯利亚北海岸已被侵蚀数千年之久，然而，侵蚀速率仍在增加当中。整个岛屿消失在历史洪流中﹝资料来源 ： Romankevich, 1984 ﹞。西伯利亚大陆棚的甲烷溶解浓度，比在大气中的浓度，高出 25 倍之多，表示逸出的甲烷系由沿岸侵蚀进入大气中﹝资料来源： Gornitz and Fung, 1994 ﹞。人类对永冻土内甲烷冰的总含量，所知有限，估计从 7.5 到 400G ton C( 本估计值由﹝ Gornitz and Fung, 1994 ﹞汇编 ) 。

未来 。最精采的灾难电影模式，可能是在一段和甲烷存在周期相当的时间里，释放出大量足以改变大气浓度的甲烷，这对甲烷浓度会形成增强效果。甲烷释放的规模到何种程度堪称为大，甲烷量必须加计因辐射驱力而倍增的一氧化碳，约相当于目前甲烷浓度的十倍威力。这才叫灾难电影。或者，到 2050 年，最糟糕的联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 模式，和想像得到的最好的”替代方案”，其辐射能量作用力的差别平均值，仅约每平方米 1 瓦 (1 W/m2) 。在这种情况下，甲烷产生的辐射驱力，将导致其无法维持在低于“危险”边缘 2 度，而到达高出工业革命前的水平。在此我预估当今甲烷浓度约 6ppm 为 1 W/m2 。以 6ppm 的甲烷浓度而言，在现实世界中确实是大难临头。

大气中一般含有约 3.5Gton C 甲烷，若在瞬间释放 10Gton C ，将会突破之前的 6ppm 浓度。这种浩劫很可能比任何被提过的灾难还要大。


海底崩移会释放约十亿吨，坑洞爆炸则略少。永冻土水合物正在溶解，但没有人想到它们会突然爆炸。根据记载，在五千五百万年前，沉积层发生所谓的古／始新世交替时期最大暖流 (Paleocene Eocene Thermal Maximum) ， ( 据宣称 ) 释放几千 Gton C 甲烷到大气及海洋中，使中深层的海水升温摄氏 5 度。要推测在这么久之前的发生速度实非易事，但最佳的推测是，那些甲烷的释放期间系超过一千年之久，换言之，不是突发事件。﹝资料来源： Zachos et al., 2001; Schmidt and Shindell, 2003 ﹞

我们的未来还有另一个可能性，即甲烷会年复一年，慢慢地长时期散放到大气中。甲烷不间断地释放，即决定大气中甲烷的累积浓度。若来源倍增，浓度就会或多或少倍增。 ( 可能略多一些，因为实际上甲烷的周期增长 ) 。甲烷会氧化成二氧化碳，形成另一种可以累积千百万年的温室气体，石化燃料所产生的二氧化碳亦然。由甲烷的慢性释放模型经常可以看出，累积的二氧化碳，对暖化的贡献与甲烷不分轩轾。

人为所产生的甲烷像种稻、石化燃料产业和畜牧，使大气中的甲烷浓度，已经超过工业革命之前的水平，目前甲烷状态尚呈现稳定，但是相对于现阶段的活动，其持稳原因则尚不明确。永冻土的甲烷水合物含量尚不明朗，但不需要太多的甲烷，例如 100 年释放 60 Gton ，即可让大气中的甲烷浓度再增加两倍。沉积的泥煤，也许可以和永冻土水合物溶解产生的甲烷相比拟，当冰冻几千万年的泥煤解冻时，它仍旧含有能催化甲烷产生的甲烷氧化﹝资料来源： Rivkina et al., 2004 ﹞，便开始将泥煤转变成二氧化碳和甲烷。那也就不难想像泥煤里， 60 GtonC 经过 100 年后，会是什么局面。在现存的湿地和沼泽地，甲烷的产生，受到雨量和气温的改变，产生的变化也很重要。已有预测显示，海洋水合物在溶解，但速度很缓慢﹝资料来源： Harvey and Huang, 1995 ﹞。速度较明显 的，似乎只有北极和墨西哥湾。


所以，最后的重点不是要策划一场灾难电影，而是在传达潜在的危机，对该危机的正面回馈，是否能扭转“危险”人类所致气候改变的结果，只有一线之隔。这才是可怕之处。

我已上传一份有关水合物及气候改变的详细资料，供同行审阅和刊物发表，请按此前往 。
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